UNIVERZITA PARDUBICE
DOPRAVNÍ FAKULTA JANA PERNERA
MĚNIČ PRO FÁZOVÉ ŘÍZENÍ STŘEDNÍ HODNOTY STEJNOSMĚRNÉHO NAPĚTÍ
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
2011
Ondřej SADÍLEK
Prohlášení autora Prohlašuji, že jsem tuto práci vypracoval samostatně. Veškeré literární prameny a informace, které jsem v práci využil, jsou uvedeny v seznamu použité literatury. Byl jsem seznámen s tím, že se na moji práci vztahují práva a povinnosti vyplývající ze zákona č. 121/2000 Sb., autorský zákon, zejména se skutečností, že Univerzita Pardubice má právo na uzavření licenční smlouvy o užití této práce jako školního díla podle § 60 odst. 1 autorského zákona, a s tím, že pokud dojde k užití této práce mnou nebo bude poskytnuta licence o užití jinému subjektu, je Univerzita Pardubice oprávněna ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, které na vytvoření díla vynaložila, a to podle okolností až do jejich skutečné výše. Souhlasím s prezenčním zpřístupněním své práce v Univerzitní knihovně.
V Pardubicích dne 25. 05. 2011
Ondřej Sadílek
Anotace Cílem bakalářské práce je seznámení se způsoby změny střídavého napětí a proudu na stejnosměrné napětí a proud. Práce je zaměřena především na plně řízené usměrňovače, detailní rozbor jejich řízení a chování ve vybraných obvodech. Součástí je i popis realizace čtyř plně řízených usměrňovačů, včetně popisu jednotlivých komponent a principu funkce. Klíčová slova Usměrňovač, tyristor, fázové řízení, řídící obvod
Title Converter for phase control average value of DC voltage
Annotation The aim of this bachelor is familiar with ways of changing the AC voltage and current to DC atributes. The work is focused on fully controlled rectifier, detailed analysis of their controlling and management in selected circuits. It also includes a description of the implementation of four fully-controlled rectifiers, within a description of the various components and operating principles.
Keywords Rectifier, thyristor, phase control, control circuit
OBSAH ÚVOD .......................................................................................................................... 7 1.
TYPY USMĚRŇOVAČÚ A ZÁTĚŽÍ....................................................................... 8
1.1
Řízený jednopulzní usměrňovač, odporová zátěž ............................................. 8
1.2
Řízený jednopulzní usměrňovač, odporově induktivní zátěž ........................... 10
1.3
Řízený jednopulzní usměrňovač, odporově induktivní zátěž, nulová dioda ..... 12
1.4
Řízený můstkový usměrňovač, odporová zátěž .............................................. 13
1.5
Řízený můstkový usměrňovač, odporově induktivní zátěž .............................. 15
1.6
Polořízený usměrňovač ................................................................................... 17
2.
MOŽNÉ PŘÍSTUPY K ŘEŠENÍ ŘÍZENÍ.............................................................. 19
2.1
Řízení pomocí analogového obvodu ............................................................... 19
2.2
Řízení pomocí monostabilního klopného obvodu ............................................ 20
2.3
Řízení pomocí obvodů přímo určených pro tuto aplikaci ................................. 22
3.
REALIZACE VÝROBKU ..................................................................................... 24
3.1
Specifikace komponent ................................................................................... 24
3.1.1
Tyristor ......................................................................................................... 24
3.1.2
Řídící obvod ................................................................................................. 28
3.1.3
Optočlen ....................................................................................................... 31
3.2 4.
Vlastní konstrukce ........................................................................................... 32 MĚŘENÍ VE VYBRANÝCH OBVODECH ........................................................... 37
4.1
Řízený můstkový usměrňovač, odporová zátěž .............................................. 37
4.2
Řízený můstkový usměrňovač, odporově induktivní zátěž .............................. 39
4.3
Řízený jednopulzní usměrňovač, odporová zátěž ........................................... 40
4.4
Řízený jednopulzní usměrňovač, odporově induktivní zátěž ........................... 42
4.5
Řízený jednopulzní usměrňovač, odporově induktivní zátěž, nulová dioda ..... 43
ZÁVĚR ...................................................................................................................... 45 Seznam použité literatury .......................................................................................... 46 Seznam obrázků ....................................................................................................... 47 Seznam tabulek......................................................................................................... 49 Seznam příloh ........................................................................................................... 50
ÚVOD Předmětem mé bakalářské práce jsou měniče, jež slouží k přeměně střídavého napětí či proudu na stejnosměrné napětí či proud, takzvané usměrňovače. Usměrňovače zaznamenaly největší rozvoj v době, kdy se postupně upouštělo od soustav stejnosměrných, a plynule se přecházelo na soustavy střídavé. Střídavé soustavy mají nespornou výhodu v jednoduché transformaci napětí na požadovanou hodnotu. V řadě aplikací byl požadavek stejnosměrného proudu zachován (elektrická trakce, galvanické pokovování, elektrolýzy), tudíž bylo třeba, ze střídavého proudu stejnosměrný nějakým způsobem vytvořit. Jako jedním z nejstarších usměrňovačů byl například
mechanický
usměrňovač,
který
pracoval
na
principu
komutátoru
u stejnosměrného motoru, dále pak rtuťový usměrňovač, polovodičový usměrňovač se selenovými deskami až po dnešní, využívající ke své činnosti křemíkových polovodičů. Křemíkové polovodiče a měniče z nich vyrobené patří bezesporu k nejpoužívanějším. Tento fakt je dán především snadnou dostupností, vyhovujícími parametry, velkou účinností, nízkou cenou, dobrou mechanickou odolností. Negativní vlastností řízených usměrňovačů je odběr obdélníkem aproximovatelných nesinusovývch proudů ze zdrojové sítě. Tyto proudy v mnoha případech nebývají ve fázi s napětím a to má za následek generování vyšších harmonických složek proudu. Při větších odebíraných proudech tento jev může způsobit deformaci síťového napětí či rušení v podobě elektromagnetického vlnění. Principem usměrňovače je přechod polovodičové součástky z vodivého do nevodivého stavu, přičemž každý přechod znamená změnu topologie elektrického obvodu a tím i případnou změnu směru proudu. Usměrňovače lze rozdělit dle použitých součástek na neřízené diodové, polořízené diodotyristorové, plně řízené tyristorové či tranzistorové. Dále pak dle způsobu napájení na jednofázové, třífázové a vícefázové. Dle počtu pulzů na periodu na jednopulzní, dvojpulzní, trojpulzní, šestipulzní a vícepulzní. Dle zapojení na můstkové a uzlové. V této bakalářské práci je mým úkolem pojednat o teoretickém základu problematiky tyristorových usměrňovačů. Součástí práce je i návrh, výroba a otestování dvou typů plně
řízených
usměrňovačů
(jednofázového
jednopulzního
a
jednofázového
dvoupulzního usměrňovače), jejich akčními členy jsou tyristory a řízení obstarává speciální obvod. 7
1.
TYPY USMĚRŇOVAČÚ A ZÁTĚŽÍ Usměrňovač je měnič, který mění střídavé napětí a proud na stejnosměrné napětí
a proud. Akčním členem v usměrňovači je polovodič, v nejčastějším případě dioda či tyristor. Rozdíl mezi diodovým a tyristorovým usměrňovačem je v tom, že u diodového nelze měnit střední hodnotu výstupního stejnosměrného napětí. U tyristorového měniče lze pomocí řídícího proudového impulzu do řídící elektrody zvolit okamžik, ve kterém se tyristor dostane z blokovacího režimu do režimu vodivého. Tyristor pak vede elektrický proud až do konce půlperiody. V závislosti na okamžiku sepnutí lze na výstupu řídit střední hodnotu stejnosměrného napětí. Úhel, o který se otevření tyristoru zpozdí od začátku půlperiody se nazývá řídící úhel, označuje se nejčastěji řeckým písmenem α, nabývá u jednofázových usměrňovačů hodnot od 0°-180°. Vhodnou regulací řídícího úhlu lze měnit střední hodnotu stejnosměrného napětí takřka od nuly po plné napětí. Tyto vlastnosti tyristorovému usměrňovači předurčují uplatnění především v elektrických pohonech, kde lze regulovat rotorové napětí stejnosměrných motorů, proud jejich buzení či proud buzení synchronních motorů a tím tak strojům bezztrátově měnit jejich mechanické a elektrické vlastnosti. Řízené usměrňovače lze využít též pro regulaci tepelného či světelného výkonu. 1.1
Řízený jednopulzní usměrňovač, odporová zátěž
Jednofázový jednopulzní usměrňovač sestává z jednoho tyristoru. Jedná se o základní obvod, na kterém lze problematiku usměrňovačů přehledně demonstrovat, v praxi se ho využívá velice málo.
Obr. 1 - Schema jednopulzní usměrňovač, R zátěž
Je-li na anodu tyristoru přivedeno napětí kladné půlperiody a na řídící elektrodu řídící impulz, tyristor se uvede do vodivého stavu. Na zátěži se objeví kladné napětí, 8
jehož velikost je dána aktuální hodnotou střídavého zdroje, zanedbáme-li úbytek na tyristoru. Obvodem začne procházet elektrický proud. V případě odporové zátěže má napětí i proud zátěže stejný tvar jako napětí střídavého zdroje. Po průchodu proudu nulou se tyristor uzavře a je v další periodě připraven na obdobný cyklus. Po průchodu nulou by proud tekl opačným směrem, pro tento směr proudu je tyristor v závěrném směru. Pro vodivý stav lze vyjádřit okamžité napětí a proud stejnosměrného obvodu: (1)
=
= √2
sin
Kde: -
−
ž áℎ
-
−
ž áℎ
íℎ
ěí
-
−
íℎ
íℎ
ěí
-
− úℎ
-
ěí
á ěž
á
− č (2)
=
=
√2 sin
Kde: -
−
-
−
ž ý
ě
é čá
á ěž
9
Pro střední hodnotu stejnosměrného napětí platí: (3)
=
1 2
√2 sin
Kde: -
−
ř
íℎ
ý
íℎ
ěí
− ří í í úℎ
Obr. 2 - Průběhy jednopulzní usměrňovač, R zátěž
1.2
Řízený jednopulzní usměrňovač, odporově induktivní zátěž
Jednopulzní usměrňovač se zátěží, kterou tvoří sériová kombinace rezistoru a cívky představuje též obdobu usměrňovačů s R zátěží. V tomto případě je částí zátěže akumulační prvek. Cívka slouží jako setrvačník proudu.
10
Obr. 3 - Schéma jednopulzní usměrňovač, RL zátěž
Po přivedení řídícího impulzu na řídící elektrodu tyristoru se tyristor uvede do vodivého stavu. Na zátěži se objeví kladné napájecí napětí, jehož velikost je okamžitou hodnotou vstupního napětí. Rozdílem od ostatních typů usměrňovačů je chování proudu. Po sepnutí tyristoru proud začne stoupat takřka od nulové hodnoty po křivce, která odpovídá součtu sinusového a exponenciálního průběhu. V tento čas se cívka nabíjí. Její nabíjení trvá až do doby, než výstupní napětí projde nulou. Od tohoto okamžiku se cívka vybíjí, přičemž tyristor je stále otevřen. Po odeznění proudu cívky se tyristor uzavře. Vyznačené plochy F1 a F2 znázorňují nabíjení a vybíjení indukčnosti. Ze zákonu zachování energie musí být rozdíl ploch roven 0.
Obr. 4 - Průběhy jednopulzní usměrňovač, RL zátěž
11
Z průběhů (Obr. 4) je patrné, že se na výstup mimo kladné půlperiody dostane i část periody záporné. Záporná část snižuje střední hodnotu výstupního napětí. Tento negativní jev lze eliminovat paralelním připojením záporně polarizované diody k zátěži. 1.3
Řízený jednopulzní usměrňovač, odporově induktivní zátěž, nulová dioda
Pro eliminaci částečného otevření tyristoru v záporné půlperiodě se používá tzv. nulové diody, která se zapojí paralelně k zátěži v nepropustném směru. Vede-li tyristor proud, cívka se nabíjí. Nulovou diodou v této fázi neprochází žádný proud. V okamžiku průchodu napětí nulou se začne vybíjet indukčnost právě přes nulovou diodu. Tyristor se uzavře v okamžiku průchodu napětí nulou. Vybíjecí proud cívky se uzavírá přes nulovou diodu a zátěž až do dalšího cyklu. Nejenom, že se tímto zapojením zbavíme záporné části půlperiody, ale dochází též k vyhlazení proudu. Jestliže se proud zátěže dostane na nulovou hodnotu ještě dříve, než přijde následující cyklus, hovoříme o tzv. přerušovaném proudu. Toho lze snadno dosáhnout při nastavení velikého řídícího úhlu α. Jesliže je proud spojitý a v žádné části periody neklesne k nule, hovoříme o tzv. nepřerušovaném proudu.
Obr. 5 - Schéma jednopulzní usměrňovač, RL zátěž a nulová dioda
12
Obr. 6 - Průběhy jednopulzní usměrňovač, RL zátěž a nulová dioda
1.4
Řízený můstkový usměrňovač, odporová zátěž
Jednofázový můstkový usměrňovač, též nazývaný jako Gretzův můstek, sestává ze střídavého zdroje, čtyřech tyristorů a zátěže.
Obr. 7- Schéma můstkový usměrňovač, R zátěž
Na rozdíl od ostatních typů usměrňovačů se na vedení proudu musí podílet vždy dva tyristory, jeden z vrchní řady, druhý vždy ze spodní. Polarizace tyristorů v jednotlivých řadách je taková, že v horní řadě vede, či je v blokovacím režimu, právě ten tyristor, který má nejvyšší kladné anodové napětí. V dolní řadě vede ten tyristor, který má nejvyšší záporné katodové napětí. Čili, v jedné polaritě vstupního napětí vedou tyristory V1 a V2, v opačné polaritě vstupního napětí vedou tyristory V3 a V4. V žádném okamžiku nemohou vést tyristory v jedné řadě společně. 13
Tyristory z jedné řady vedou společně jen v jeden specifický okamžik, který označujeme jako komutace. V tento krátký okamžik je zdroj ve zkratu a jednotlivé tyristory si přebírají vedení proudu. Pro plně řízený usměrňovač jsou kladeny vysoké nároky na řídící obvod. Ten musí zabezpečit, aby se řídící impulz dostal na řídící elektrodu správných tyristorů a ve stejný okamžik. Dále je nutno zajistit galvanické oddělení jednotlivých zdrojů řídících impulzů, neboť je každý tyristor, jako tomu bylo u uzlového usměrňovače, na jiném potenciálu. V případě čistě odporové zátěže nemá výstupní napětí a proud žádný fázový posuv či deformaci. V okamžiku sepnutí tyristorů se na zátěži objeví okamžitá hodnota napětí a proudu.
Obr. 8 - Průběhy můstkový usměrňovač, R zátěž
Ze zapojení můstkového usměrňovače též vyplývá, že hodnota závěrného a blokovacího napětí je stejná.
14
Pro střední hodnotu výstupního napětí platí: (4)
=
1
√2 sin
Kde: −
-
ř
íℎ
ý
íℎ
ěí
− ří í í úℎ
-
−
íℎ
-
− úℎ
íℎ
ěí
á
− č
-
Pro maximální závěrné pracovní napětí platí: (5)
= √2 Kde: −
-
−
á í
í á ě
íℎ
é
íℎ
ěí ěí
Můstkový usměrňovač má výhodu v jednoduchosti střídavého zdroje bez vyvedeného středu a ve větším vyhlazení výstupního napětí. Můstkový plně řízený usměrňovač lze provozovat v invertorovém režimu a tím tak vracet energii například z rekuperačního brzdění zpět do sítě. 1.5
Řízený můstkový usměrňovač, odporově induktivní zátěž
Můstkový usměrňovač, jehož zátěž tvoří sériová kombinace rezistoru a cívky představuje obdobu můstkového usměrňovače s odporovou zátěží. Jako tomu bylo u usměrňovače jednopulzního, cívka a její indukčnost bude mít opět vliv na průběhy výstupního proudu. 15
Obr. 9 - Schéma můstkový usměrňovač, RL zátěž
Jestliže se tyristory V1 a V2 (popř. V2 a V3) nacházejí v blokovacím stavu, lze je řídícím impulzem sepnout. Na zátěži se objeví kladné napětí okamžité hodnoty vstupního napětí. Jelikož je do obvodu zařazen setrvačník proudu, proud začne stoupat od nulové hodnoty až do maximální hodnoty, cívka se nabíjí. Po průchodu napětí nulou je cívka vybíjena. Po vyčerpání veškeré energie cívky se tyristor uzavře. Pokud se energie cívky vyčerpá ještě před příchodem řídících impulzů na druhý pár tyristorů, hovoříme opět o přerušovaném proudu. Jestliže do obvodu zapojíme cívku o veliké indukčnosti, lze dosáhnout proudu nepřerušovaného. Výstupní proud je poté vyhlazen. Nevýhodou tohoto zapojení jsou záporné špičky, které snižují střední hodnotu výstupního napětí.
Obr. 10 - Průběhy můstkový usměrňovač, RL zátěž
16
Závislost střední hodnoty stejnosměrného proudu na řídícím úhlu se nazývá řídící charakteristika. Jedná se o důležitou charakteristiku popisující napěťové schopnosti měniče. Řídící charakteristika:
Obr. 11 - Řídící charakteristika můstkový usměrňovač, RL zátěž
1.6
Polořízený usměrňovač
Pod pojmem polořízený usměrňovač si lze představit usměrňovač, ve kterém je pár polovodičů neřízených a pár řízených.
Obr. 12 - Schéma polořízený usměrňovač, R zátěž
17
V případě, že je na V1 blokovací napětí a na katodě V2 záporné napětí, proud obvodem neprochází. Přijde-li na řídící elektrodu řídící impulz, tyristor se otevře. Na anodě diody V2 se objeví kladné napětí a dioda též otevře. Polořízený usměrňovač je levnější variantou usměrňovače plně řízeného. Řídící obvody nejsou tak složité. Na rozdíl od plně řízeného ho nelze provozovat v invertorovém režimu.
18
2.
MOŽNÉ PŘÍSTUPY K ŘEŠENÍ ŘÍZENÍ Stěžejní částí řízených usměrňovačů jsou řídící obvody. Jsou to obvody, které
mají za úkol generovat dostatečně dlouhý a dostatečně veliký proudový impulz do řídící elektrody tyristoru. Obvody musí detekovat průchod napětí nulou a od tohoto okamžiku definovaně dlouho vyčkat až do vygenerování proudového impulzu. Na přesnosti a spolehlivosti těchto obvodů závisí bezchybný chod výkonové části usměrňovače. Další vlastností těchto obvodů je galvanické oddělení jak samotných výstupů připojených k jednotlivým tyristorům mezi sebou, tak oddělení výkonové části od části řídící. V častých případech se tyristory používají pro napětí až několika desítek kV a jejich řídící obvody jsou složitá zařízení pracující v součinnosti s dalšími systémy. Je tudíž nepřípustné, aby porucha na výkonové části znehodnotila i drahý řídicí systém. 2.1
Řízení pomocí analogového obvodu
Řízení pomocí analogového obvodu patří mezi nejjednodušší formu řízení tyristoru. Popisovaný řídící obvod se skládá z rezistoru, potenciometru, dvou diod a kondenzátoru.
Obr. 13 - Schéma analogový řídící obvod
V době, kdy tyristor nevede elektrický proud je na jeho anodě záporné napětí. Proud protéká do řídícího obvodu přes rezistor R1 a přes diodu D2, která je pro tuto polaritu napětí otevřena. Nabíjí se kondenzátor C1. Otočí-li se polarita zdroje tak, že se tyristor nachází v blokovacím stavu, začne se kondenzátor C1 přebíjet přes 19
potenciometr R2 na opačnou polaritu. Dioda D2 je v této fázi v uzavřeném stavu. Přesáhne-li
napětí
kondenzátoru
hodnotu
prahového
napětí
diody
D1,
je
vygenerován impulz do řídící elektrody tyristoru. Tyristor otevře, na zátěži se objeví kladné napětí a začne jí procházet proud. Po průchodu proudu nulou se tyristor uzavře a začne se nabíjet kondenzátor C1. Cyklus tak probíhá dále dle popsaného postupu. Obvod lze zařadit do skupiny nejjednodušších analogových řídících obvodů. Jeho nespornou výhodou je jeho jednoduchost a hlavně cena. Nevýhodou je nepřesné nastavování
řídícího
úhlu,
které
může
být
ovlivněno
stavem
elektrolytu
v kondenzátoru. Po několikaletém provozu v prostorech s vysokou průměrnou teplotou se vlastnosti od nového výrobku můžou značně lišit. Tudíž je tento obvod předurčen pro nejjednodušší aplikace, kde na přesnosti v takové míře nezáleží. Je to například regulace tepelného či světelného výkonu. 2.2
Řízení pomocí monostabilního klopného obvodu
Monostabilní klopný obvod je obvod, který má na výstupních svorkách jeden stálý stav. Z tohoto stavu jej lze přepnout spouštěcím signálem. Obvod se po jistém čase opět vrátí do svého stabilního stavu. Tyto vlastnosti předurčují monostabilní klopný obvod pro zpožďovací obvody, kterým v podstatě řídící obvod tyristoru je. Typickým představitelem řešení řídicího obvodu pomocí monostabilního klopného obvodu je uvedeno na níže uvedeném schématu.
20
Obr. 14 - Schéma řízení pomocí monostabilního klopného obvodu
Celý modul slouží pro řízení uzlového usměrňovače. Síťový transformátor T1 s vyvedeným středem transformuje síťové napětí na požadovanou hodnotu napětí (Obr. 15-a). Diody V1 a V2 slouží jako usměrňovač a jeho výstupním napětím je napájen řídicí obvod. Zenerova dioda V4 a rezistor R6 tvaruje spouštěcí impulzy (Obr. 15-b), které jsou vedeny na vstup klopného obvodu uvnitř IC2. Vzestupná hrana spouštěcího impulzu obvod uvede z logické 0 na logickou 1 (Obr. 15-c). Délku trvání logické 1 nastavujeme potenciometrem P1. Jestliže je výstup v logické 1, je tranzistor V6 sepnut a primárním vinutím transformátoru T2 prochází proud (Obr. 16-d). V okamžiku přepnutí obvodu z logické 1 do logické 0 se tranzistor V6 uzavře.
Tato
časová
změna
proudu
naindukuje
dle
Faradayova
zákona
v sekundárním vinutí transformátoru T2 řídící impulz (Obr. 16-e). Ten je veden do řídicí elektrody tyristorů V7 a V8, přičemž sepne tyristor, nacházející se v blokovacím stavu. Výstupní napětí je znázorněno na Obr. 16-f.
21
Obr. 15 - Průběhy signálů monostabil- 1. část
Obr. 16 - Průběhy signálů monostabil- 2. Část
2.3
Řízení pomocí obvodů přímo určených pro tuto aplikaci
V aplikacích, kde je potřeba přesně a spolehlivě měnit řídicí úhel, je využíváno speciálních řídících obvodů. Tyto obvody jsou prvotně určeny právě pro tyto aplikace. Ve většině případů se jedná o univerzální obvody, na které lze s příslušnými úpravami připojit jak tyristor, tranzistor či triak. Vhodným řazením obvodů lze ovládat několik spínacích součástek najednou. Pro svůj výrobek jsem vybral řídící obvod TCA785 z produkce firmy Siemens či Infineon. Podrobný popis tohoto obvodu bude k dispozici v následující kapitole. Obvod TCA785 není jediný řídicí obvod na trhu, v tabulce je uvedeno dalších několik obvodů se stručně popsanými vlastnostmi.
22
Tab. 1 - Přehled obvodů vhodných pro řízení
23
3.
REALIZACE VÝROBKU
3.1
Specifikace komponent
3.1.1
Tyristor
Tyristor patří k součástkám s řízeným zapínáním. Lze jej řídicím impulzem zapnout, ale nelze je řídícím impulzem vypnout. Tyristor ve svém pouzdře ukrývá čtyři vrstvy polovodičů P1, N1, P2, N2 a tři PN přechody J1, J2 a J3.
Obr. 17 - Tyristor - vnitřní a náhradní schéma, popis elektrod
Je-li na anodu tyristoru přivedeno kladné napětí a na katodu záporné, tyristor se nachází v blokovacím stavu: Tento stav je charakterizován tím, že tyristor stále nevede proud. Přivedeme-li do řídicí elektrody, tzv. gatu, kladný proudový impulz, tyristor se otevře a vede proud tak dlouho, dokud proud teče. Uvedený mechanismus lze
vysvětlit
na
náhradním
schématu
tyristoru
pomocí
dvou
tranzistorů.
Předpokládáme blokovací stav. Na gate, čili bázi T2 přivedeme proudový impulz, ten sepne T2 a tím se dostane proud na bázi T1, který tím pádem také sepne. Sepnutým T1 proteče proud na bázi T2 a tím ho drží stále sepnut. Další důležitou partií v popisu součástky je výstupní V-A charakteristika. Ta se skládá ze třech částí. První částí je závěrná část, která charakterizuje chování tyristoru v závěrném stavu. Jak je z charakteristiky patrné, v závěrném směru prochází součástkou pouze malý proud, to je dáno velikým závěrným odporem, jehož hodnota dosahuje až 106 Ω. Důležitým mezníkem na závěrné charakteristice je napětí UBR, které udává, při jakém napětí začne proud převyšovat stanovenou hodnotu. URWM udává nejvyšší povolenou opakovatelnou hodnotu napětí v konkrétní aplikaci. URRM udává nejvyšší možnou opakovatelnou hodnotu jakéhokoli napětí. V blokovací části charakteristiky je na tyristoru opačné napětí než ve stavu 24
závěrném. Odpor tyristoru v blokovacím režimu je též značný, dosahuje hodnot až 106 Ω. UDWM udává nejvyšší možnou hodnotu opakovatelného blokovacího napětí v konkrétní aplikaci. UDRM udává nejvyšší možnou hodnotu blokovacího napětí garantovanou výrobcem. UBO je napětí, při kterém tyristor sepne bez připojeného řídicího impulzu. Propustná větev je lineární závislostí napětí tyristoru na jeho proudu. Udává nám, jak veliký úbytek lze na součástce očekávat při průchodu konkrétního proudu. Úbytek na součástce je důležitým parametrem pro výpočet ztrátového výkonu a s tím spojeného chlazení. V praxi se úbytek na tyristorech pohybuje od 1 V do 3 V. Pro ztrátový výkon platí: (6) (
)
=
·
·
·
·
Kde: -
(
-
−
-
−
-
−
-
−
-
−
)
−
ř
č
íℎ
á
éℎ
ý
ů
á í
ěí
é
ů ℎ
Obr. 18 - VA charakteristika tyristoru
25
Pro zapnutí tyristoru musí být splněny tyto podmínky: -
Tyristor se musí nacházet v blokovacím režimu
-
Na řídicí elektrodu je přiveden dostatečně velký impulz
-
Na řídicí elektrodu je přiveden dostatečně dlouhý impulz
Strmost nárůstu proudu tyristorem nesmí být větší než jistá mez, vlivem velkého proudu procházejícího skrz postupně otevírající součástku by došlo k lokálním přehřevům a součástka by se mohla zničit Pro vypnutí tyristoru musí být splněny tyto podmínky: -
Tyristorem neprochází žádný proud
-
Na tyristoru je závěrné napětí alespoň po definovaně dlouhou dobu
-
Strmost blokovacího napětí nesmí přesáhnout kritickou hodnotu udanou výrobcem
Mechanismus zapnutí a vypnutí je uveden na následujícím grafu.
Obr. 19 - Zapínání a vypínání tyristoru
26
Po příchodu řídícího impulzu se dobu td nic neděje. Po uplynutí tohoto zpoždění začne klesat blokovací napětí, s tím je spojen i vzrůst proudu tyristorem až do ustáleného stavu. Jestliže chceme tyristor vypnout, musí klesnout proud k nule. Po dobu ts teče tyristorem veliký závěrný proud, který odvádí komutační náboj Qrr. Po uplynutí doby ts se začne závěrný proud zmenšovat, až dosáhne hodnoty přibližně 0 A. Časový úsek označený jako trr nazýváme dobou zotavení závěrného proudu. Další charakteristikou popisující tyristor je vstupní V-A charakteristika. Jedná se ve své podstatě o V-A charakteristiku přechodu katoda-gate. Ze vstupní charakteristiky lze získat hodnoty napětí a proudů, které když přivedeme na gate tyristoru, tak jistě sepne. Oblast těchto napětí a proudů se nachází ve vyšrafované části grafu.
Obr. 20 - Výstupní V-A charakteristika
Pro svůj výrobek jsem zvolil tyristory s označením BT152/800R od firmy Philips Semiconductors. Jedná se o tyristory v pouzdře TO220. Výběr na tento tyristor jsem zúžil po vyhodnocení všech rozhodujících faktorů. Mezi nejdůležitější patří dostatečné proudové a napěťové dimenzování pro mojí aplikaci. Předpokládá se napájení síťovým napětím 230 Vef s odběrem maximálně 5 A. Tyristor by měl dle katalogového listu spolehlivě pracovat až do hodnoty proudu 20 Aef a jeho napětí UDRM a URRM je dle datasheetu 800 V, což je pro mou aplikaci více než dostačující. Rozhodujícím faktorem při výběru byla i dostupnost na trhu v požadovaném množství a přijatelná cena. Příjemným parametrem je i hodnota neopakovatelného 27
proudového impulzu ITSM, který je schopen tyristor bez poškození snést. Hodnota tohoto proudového impulzu dosahuje pro čas 10 ms hodnoty až 200 A. Tento parametr vidím jako velice vděčný při používání modulů ve výuce, kde se může přihodit závada na vnějším obvodu, což nemusí nutně znamenat výměnu výkonových součástek. Předpokládá se ovšem včasné vybavení rychlých tavných pojistek. Proud zapalovacího impulzu IGT by se měl pohybovat v rozmezí 3 až 32 mA. Nákres součástky a popis jednotlivých pinů je uveden na obrázku (Obr. 21).
Obr. 21 - Popis elektrod tyristoru
3.1.2
Řídící obvod
Řízení uvedených tyristorů obstarává řídicí obvod TCA785 v pouzdře DIP-16. Obvod se vyznačuje širokou univerzálností použití. Vhodným počtem obvodů lze řídit i vícefázové soustavy. Další výhodou je schopnost obvodu pracovat v širokém spektru teplot okolního prostředí, -25 až 85 °C. Tím je obvod předurčen pro využití i v těch nejtěžších podmínkách. Obvod pro řízení jsem vybral hlavně díky univerzálnosti jeho použití a dostupnosti na trhu. Obvod vyrábí dvě firmy, Siemens a Infineon Technologies, které patří mezi přední výrobce polovodičů a průmyslové elektroniky. Řídicí obvod představuje jádro řídicí části usměrňovače, jeho napájecí napětí se pohybuje od 8 V do 18 V DC. Potřebné napětí se získává ze vstupního napětí tak, že se vstupní napětí zmenší o úbytek na výkonovém odporu, dále je jednocestně usměrněno diodou a následně stabilizováno Zenerovou diodou. Případné zvlnění je vyhlazeno elektrolytickým kondenzátorem. Pracovní frekvence obvodu je od 10 do 500 Hz. Obvod obsahuje dva výstupy (piny 14 a 15), na kterých jsou generovány proudové impulzy pro řízení spínacích součástek. V kladné půlperiodě vstupního napětí je generován řídicí impulz na pinu 15, v záporné na pinu 14. Vyřešení 28
problému galvanického oddělení od výkonové části a zároveň spínání pomocí dvou signálů čtyř polovodičů vyřešil čtyřnásobný optočlen a přídavný zdroj řídících impulzů. Každý z výstupů obvodu je veden na sériovou kombinaci dvou optočlenů. Po příchodu řídicího impulzu jsou sepnuty dva tranzistory, které spojují obvod přídavného zdroje s gatem příslušného tyristoru. Přídavný zdroj tvoří dva transformátory s dvojitým sekundárním vinutím, usměrňovací můstky, vyhlazovací kondenzátory a proud omezující rezistory o hodnotě 1 kΩ.
Sekundární napětí
transformátorů je 9 Vef, po usměrnění a vyhlazení 11 V. Dle těchto hodnot lze vypočítat, že proudový impulz přídavného zdroje dosahuje hodnoty kolem 10 mA, což je hodnota pro sepnutí tyristorů dostatečná. Více sekundárních vinutí je třeba z důvodů rozdílných potenciálů jednotlivých tyristorů. Synchronizační napětí se získá z napájecího napětí přes rezistor s velkým odporem. Toto napětí je vedeno na pin 5. Průchod napětí nulou je vyhodnocováno v detektoru nulového napětí. Dále je signál přiveden do synchronizačního registru. Synchronizační registr řídí generátor rampy, přičemž kondenzátor C10 je nabíjen konstantním proudem. Velikost nabíjecího proudu je řízena rezistorem R9. Jestliže napětí na kondenzátoru C10 (napětí na rampě) přesáhne řízené napětí na pinu 11, obvod vygeneruje kladný proudový impulz na pin 14 či 15. Impulzy jsou generovány s fázovým posuvem 0° až 180° a defaultní délkou 30us. Jestliže spojíme pin 12 se zemí, impulzy jsou prodlouženy na dobu zbývající půlperiody.
29
Obr. 22 - Vnitřní schéma řídícího obvodu
Obr. 23 - Průběhy vybraných signálů v řídícím obvodu
30
3.1.3
Optočlen
Pro galvanické oddělení signální části od části výkonové jsem využil optočlenů a to konkrétně čtyřnásobného LTV-847 a jednoduchého LTV-817. Optočlen je součástka tvořená LED diodou a fototranzistorem. Diodou procházející proud způsobí rozsvícení diody, vzniklé světlo začne otevírat tranzistor, který může následně vést proud. Výhodou této součástky je vysoká napěťová odolnost, která pro můj vybraný obvod činí až 5 000 V. Vstupní proud diody je 50 mA, závěrné napětí 6 V a výkonová ztráta 70 mW. Pro tranzistor je kolektorový proud též 50 mA, napětí kolektor-emitor 35 V, napětí emitor-kolektor 6 V a výkonová ztráta 150 mW. Celková výkonová ztráta je dle datasheetu 200 mW. Pracovní napětí je od -30 do 100 °C.
Na obrázku (Obr. 24 a 25) je vyobrazeno vnitřní zapojení.
Obr. 24 - Vnitřní schéma a popis pinů čtyřnásobného optočlenu
Obr. 25 - Vnitřní schéma a popis jednotlivých pinů jednoduchého optočlenu
31
3.2
Vlastní konstrukce
Jádrem konstrukce je řídicí obvod TCA 785 spolu se čtyřmi tyristory v případě dvoupulzního usměrňovače, v případě jednopulzního s jedním tyristorem. Zapojení modulů vychází z doporučeného zapojení, které je uvedeno v datasheetu řídicího obvodu. Využil jsem tedy pro napájení obvodu již ověřeného zapojení, které získává potřebné napětí z napětí vstupního. Tímto je modul omezen poměrně úzkým rozsahem vstupního napětí. Při nízkém vstupním napětí by nebylo splněno minimální napájecí napětí řídicího obvodu. Rozsah vstupního napětí je od cca 160 VEF do 230 VEF. Pokud bychom chtěli modul provozovat na jiná napětí, bylo by nutno přidělat do modulu zvláštní zdroj, který by napájel řídicí obvod, popřípadě přepočítat a přeosadit napájecí část, skládající se z výkonového rezistoru,usměrňovací diody, Zenerovy diody a filtračního kondenzátoru. Jelikož je řídicí obvod prvotně určen pro řízení triaků či dvou tyristorů, v doporučeném zapojení musely být pro řízení čtyř tyristorů učiněny změny, které tento problém vyřeší. Řešení problému pomocí přídavného zdroje pro řídící impulzy je popsáno v kapitole týkající se popisu řídicího obvodu. Návrh schématu a desky plošného spoje byl proveden v programu Eagle. Celý projekt jsem se snažil koncipovat jako jednodeskové zařízení s co nejmenší plochou a pohodlným zapojováním jak přívodních kabelů, tak tyristorů. Celé zapojení se mi podařilo uspořádat na desku o rozměrech 80 x 115 mm, přičemž byly zachovány bezpečné vzdálenosti jednotlivých součástek. Mým úkolem bylo vytvoření dvou modulů s dvoupulzním můstkovým usměrňovačem a dvou modulů s jednopulzním usměrňovačem. Tudíž byly vyleptány 4 identické desky, přičemž u jednopulzních usměrňovačů se osadila jen ta část součástek, která byla potřeba. Ze znalosti topologie obvodu modulu musel být kladen důraz na dostatečné proudové dimenzování výkonových cest. Pro výrobu byl použit plošný spoj s měděnou vrstvou, jejíž tloušťka je 35 um a šířka výkonových cest 2,54 mm. Dle diagramu je proudové zatížení cesty při jejím maximálním oteplení 30 °C až 8 A. Pro naše účely více než dostatečné.
32
Obr. 26 - Graf dimenzování cest v plošném spoji
Obr. 27 - Plošný spoj
33
Na obrázku (Obr. 27) je naznačeno rozvržení desky plošného spoje. Při návrhu bylo záměrem dodržet základní konstrukční pravidla. Výkonové cesty jsem se snažil umístit co nejdále od cest signálových. Křížení jednotlivých cest co nejvíce eliminovat. Přesto se mi nepodařilo vyrobit plošný spoj bez jediného drátového propoje přes vrchní vrstvu. Tyto propoje jsou umístěny v oblasti výkonových cest, kde slouží pro přenos řídících impulzů k příslušným elektrodám tyristoru. V tomto místě bylo dosti problematické najít mezi uspořádáním výkonových součástek a cest vhodný kompromis. Všechny cesty jsou vytvořené s co největšími poloměry zaoblení z důvodu zmírnění rušení do okolí. V horní části plošného spoje jsou umístěny síťové transformátory, které slouží jako zdroj pro řídící impulzy. Usměrňovací můstky jsou umístěny na jejich pravé straně, co nejblíže k optočlenu a tyristorům. Ve střední části plošného spoje se nachází řídící obvod spolu se součástkami zajišťujícími jeho funkčnost. Zdroj stejnosměrného napájecího napětí obvodu tvoří výkonový rezistor v levé části spoje, Zenerova dioda a elektrolytický kondenzátor. Z napětí na kondenzátoru je přes omezovací rezistor napájena signální LED dioda, která je umístěna na dálkovém ovladači. Umístění větších elektrolytických kondenzátorů je voleno co možná nejdále od možných zdrojů tepelné energie. V důsledku vysoké teploty kondenzátorům vysychá elektrolyt a tím se mění jeho parametry. Udává se, že životnost elektrolytického kondenzátoru se zmenší na polovinu při zvýšení jeho okolní teploty o 7 °C. Pod optočlenem můžeme najít trimr, který slouží pro nastavování pracovního rozsahu řídícího úhlu usměrňovače. Jeho otáčením se mění nabíjecí proud kondenzátoru na pinu 10. Správným nastavením lze dosáhnout rozsahu řídícího úhlu v rozmezí 0-165°, nelze tedy ani při správném sestavení a nastavení obvodu dosáhnout zcela plného řízení. Součástky umístěné pod plošným spojem jsou též zapojeny. Jedná se o signální LED diodu, která signalizuje připojení
obvodu
k napájecímu
napětí,
a
o
potenciometr,
jehož
otáčením
nastavujeme řídící úhel. Obě tyto součástky jsou umístěny, z důvodů bezpečnosti při práci se síťovým napětím, na dálkovém ovladači. Na níže uvedeném obrázku (Obr. 28) je vyobrazeno reálné rozložení součástek včetně vnitřního propojení s vnějšími svorkami a dálkovým ovladačem.
34
Obr. 28 - Pohled na otevřený modul
Veškeré vnitřní drátové propoje jsou uskutečněny pomocí lankového měděného kabelu o průřezu 1,5 mm2. Pro případnou snažší orientaci v propojích jsem zvolil dva barevné druhy vodičů. Ze vstupních svorek je fáze do plošného spoje vedena přes pojistkové pouzdro červeným vodičem, pracovní nula světle modrým vodičem. Výstup z plošného spoje je veden kabely stejné barvy, přičemž plus červeným a minus světle modrým. V případě jednopulzního modulu je ze spodní části vrchního panelu umístěna nulová dioda. Napojení dálkového ovladače obstarává svazek pěti napevno přiletovaných vodičů, které mají zhruba v polovině své délky mezi plošným spojem a výstupem z krabičky zasunovací rychlospojky. Stěžejním vodičem ve svazku je žlutý kabel, který je přiveden na jezdec potenciometru. Modrý a bílý představuje zem, červený napájení diody a zelený zbývající vodič k potenciometru.
35
Obr. 29 - Pohled na všechny moduly
Na výše uvedeném obrázku (Obr. 29) je vyobrazena fotografie všech sestavených modulů. Moduly jsou primárně určeny pro připojení externích kabelů s banánkovými koncovkami. Vstupní svorky, jejichž proudová zatížitelnost dosahuje hodnoty 25 A, též umožňují připojení kabelů pouze oholených. Vrchní část modulů je pokryta lesklou etiketou zobrazující vnitřní blokové schéma a označení jednotlivých svorek. Na modulech jsou též vyznačeny doporučené a mezní provozní parametry. Všechny čtyři moduly jsou určeny pro účely výuky výkonové elektrotechniky v laboratořích DFJP katedry KEEZ. Svou konstrukcí by měly splňovat všechny požadavky týkající se minimální bezpečné pracovní vzdálenosti od živých částí, dále požadavky jištění v případě poruchy ve vnějším obvodu, jednoznačnosti označení jednotlivých svorek a optické signalizace přítomnosti síťového napětí na vstupu modulu. Moduly jsou v pohotovostním režimu pevně sešroubovány, tudíž jsou částečně vyloučeny neoprávněné zásahy do vnitřního zapojení či nastavení.
36
4.
MĚŘENÍ VE VYBRANÝCH OBVODECH Po návrhu, sestavení a oživení modulů bylo potřeba ověřit jejich funkčnost ve
vybraných obvodech. Obvod byl sestaven z měřeného modulu, jeho napájení obstarával programovatelný střídavý zdroj, jehož napětí bylo nastaveno na 200 Vef. Zátěž představoval reostat o odporu 250 Ω s případnou tlumivkou. Měřenými veličinami byl výstupní proud a střední hodnota napětí, které se odečítaly z ručkových měřících přístrojů. Pro zaznamenání autentických průběhů jsem použil digitální osciloskop RIGOL DS1102E, který umožňoval uložení oscilogramů přímo přes USB na paměť Flash. Napěťová sonda byla použita s vyšším napěťovým rozsahem, proudové kleště HAMEG HZ56-2 20A RMS s přepočtem 100 mV/A. 4.1
Řízený můstkový usměrňovač, odporová zátěž
Měření probíhalo v obvodu popsaném v teoretické části práce. Jako zátěž byl zapojen 250 Ω reostat s jezdcem nastaveným na plný odpor. Naměřené hodnoty pro různé řídící úhly jsou popsány v tabulce. Nastavování řídících úhlů po 36° jsem zvolil z důvodů přesnějšího odečtu na stínítku osciloskopu. Řídící úhel [°]
0
36
72
108
144
Napětí [V]
180
162
119
60
26
Proud [A]
0,74
0,68
0,5
0,24
0,12
Tab. 2 - Naměřené hodnoty můstkový usměrňovač, R zátěž
37
Řídící charakteristika:
Obr. 30 - Řídící charakteristika můstkový usměrňovač, R zátěž
Průběhy sejmuté z osciloskopu:
Obr. 31 – Můstkový usměrňovač, R zátěž, α=120°, T/2 Obr. 32 - Můstkový usměrňovač, R zátěž, α=30°, T/2
Na levém oscilogramu je vyobrazen průběh napětí (CH1) a proudu (CH2) při řídícím úhlu 120°, na pravém při úhlu 30°. Napětí má měřítko 500 mV/dílek, přičemž přepočet je 500 mV/50V. Proudové měřítko je 100 mV/dílek, přepočet 100m V/A. Časová základna 1 ms/dílek.
38
4.2
Řízený můstkový usměrňovač, odporově induktivní zátěž
Při tomto měření zůstala topologie obvodu zachována z předchozího měření, pouze do zátěže byla doplněna tlumivka. Naměřené veličiny: Řídící úhel [°]
0
36
72
108
144
Napětí [V]
180
142
88
32
18
Proud [A]
0,74
0,6
0,36
0,14
0,08
Tab. 3 - Naměřené hodnoty můstkový usměrňovač, RL zátěž
Řídící charakteristika:
Obr. 33 - Řídící charakteristika můstkový usměrňovač, RL zátěž
39
Průběhy sejmuté z osciloskopu:
Obr. 34 - Můstkový usměrňovač, RL zátěž, α=30°,T/2 Obr. 35 – Můstkový usměrňovač, RL zátěž, α=120°, T/2
Na levém oscilogramu je vyobrazen průběh napětí (CH1) a proudu (CH2) při řídícím úhlu 30°, na pravém při úhlu 120°. Napětí má měřítko 1 V/dílek, přičemž přepočet je 1 V/100V. Proudové měřítko je 100 mV/dílek, přepočet 100 mV/A. Časová základna 1 ms/dílek. 4.3
Řízený jednopulzní usměrňovač, odporová zátěž
Měření probíhalo podobně jako s můstkovým usměrňovačem, pouze byly vyměněny moduly. Naměřené hodnoty: Řídící úhel [°]
0
36
72
108
144
160
Napětí [V]
90
80
60
32
8
2
Proud [A]
0,38
0,34
0,26
0,14
0,04
0,02
Tab. 4 - Naměřené hodnoty jednopulzní usměrňovač,R zátěž
40
Řídící charakteristika:
Obr. 36 - Řídící charakteristika jednopulzní usměrňovač, R zátěž
Průběhy sejmuté z osciloskopu:
Obr. 37 – Jednopulzní usměrňovač, R zátěž, α=30°, Obr. 38 – Jednopulzní usměrňovač, R zátěž, α=120°, T/2 T/2
Na levém oscilogramu je vyobrazen průběh napětí (CH1) a proudu (CH2) při řídícím úhlu 30°, na pravém při úhlu 120°. Napětí má měřítko 1 V/dílek, přičemž přepočet je 1 V/100V. Proudové měřítko je 100 mV/dílek, přepočet 100 mV/A. Časová základna 1 ms/dílek.
41
4.4
Řízený jednopulzní usměrňovač, odporově induktivní zátěž
Naměřené hodnoty: Řídící úhel [°]
0
36
72
108
144
160
Napětí [V]
90
74
60
32
8
2
Proud [A]
0,36
0,3
0,24
0,14
0,04
0,02
Tab. 5 – Naměřené hodnoty jednopulzní usměrňovač, RL zátěž
Řídící charakteristika:
Obr. 39 – Řídící charakteristika jednopulzní usměrňovač, RL zátěž
42
Průběhy sejmuté z osciloskopu:
Obr. 40 – Průběhy jednopulzní usměrňovač, RL zátěž, α=30°, T/2
Obr. 41 – Průběhy jednopulzní usměrňovač, RL zátěž, α=120°, T/2
Na levém oscilogramu je vyobrazen průběh napětí (CH1) a proudu (CH2) při řídícím úhlu 30°, na pravém při úhlu 120°. Napětí má měřítko 1 V/dílek, přičemž přepočet je 1 V/100V. Proudové měřítko je 100 mV/dílek, přepočet 100 mV/A. Časová základna 1 ms/dílek.
4.5
Řízený jednopulzní usměrňovač, odporově induktivní zátěž, nulová dioda
Naměřené hodnoty: Řídící úhel [°]
0
36
72
108
144
160
Napětí [V]
90
81
60
32
8
2
Proud [A]
0,36
0,32
0,24
0,12
0,03
0,02
Tab. 6 - Naměřené hodnoty jednopulzní usměrňovač, RL zátěž, nulová dioda
43
Řídící charakteristika:
Obr. 42 – Řídící charakteristika jednopulzní usměrňovač, RL zátěž, nulová dioda
Sejmuté průběhy z osciloskopu:
Obr. 43 – Průběhy jednopulzní usměrňovač, RL zátěž, nulová dioda, α=30°, T/2
Obr. 44 – Průběhy jednopulzní usměrňovač, RL zátěž, nulová dioda, α=120°, T/2
Na levém oscilogramu je vyobrazen průběh napětí (CH1) a proudu (CH2) při řídícím úhlu 30°, na pravém při úhlu 120°. Napětí má měřítko 1 V/dílek, přičemž přepočet je 1 V/100V. Proudové měřítko je 100 mV/dílek, přepočet 100 mV/A. Časová základna 1 ms/dílek.
44
ZÁVĚR Cílem bakalářské práce byl ucelený přehled skupiny jednofázových usměrňovačů. Práci jako celek lze rozdělit do dvou základních částí, realizace navržených plně řízených usměrňovacích modulů a vytvoření textové dokumentace. Textová dokumentace se ve své stati zaobírá obecnou problematikou řízených usměrňovačů, jejich typy a vlastnostmi ve vybraných obvodech. Hlavní částí dokumentace je popis realizace výrobků, která zahrnuje jednak popis stěžejních komponent a obvodů, ale i vlastní konstrukci. Na závěr práce je uvedena sumarizace výsledků z laboratorního měření, které bylo na vyrobených modulech provedeno. Můj pracovní postup se od zadání tématu přednostně směroval na výrobu navrhnutých usměrňovačů, jelikož jsem předpokládal, že výroba bude představovat časově nejnákladnější část práce. Základ tvořily všechny potřebné součástky v příslušném množství a plošný spoj, který byl též vyroben na půdě DFJP. Po osazení a vyzkoušení všech čtyřech plošných spojů se můj pracovní postup uchýlil k mechanickému uspořádání krabičky samotné a usazení jednotlivých komponent. Po takřka úplném sestavení modulů jsem se dostal k soupisu teoretické části problematiky a popisu konstrukce. Výsledkem mé bakalářské práce jsou čtyři funkční a v reálných obvodech otestované moduly, primárně určené k výuce výkonové elektroniky v laboratořích DFJP.
Jejich konstrukce zabezpečuje jednoduché zapojování jak vnějších obvodů,
tak měřících přístrojů. Důraz je kladen i na bezpečnou vzdálenost nastavovacích prvků od napájecího napětí. V případě poruchy či revize lze moduly jednoduše otevřít překlopením vrchního
krytu směrem ke
vstupním svorkám.
V této
poloze
je zabezpečen ideální přístup ke všem vnitřním spojům a komponentám. Na závěr bych rád poděkoval mému vedoucímu práce, Doc., Ing. Jaroslavu Novákovi Csc, za jeho ochotu a čas strávený s problematikou mé práce.
45
Seznam použité literatury [1] PAVELKA, Jiří; ČEŘOVSKÝ, Zdeněk; LETTL, Jiří. Výkonová elektronika. Praha : Nakladatelství ČVUT, 2007. 227 s. ISBN 978-80-01-03626-6. [2] NOVÁK, Jarosalv. Elektromechanické systémy v dopravě a ve strojírenství. Praha : Nakladatelství ČVUT, 2002. 86 s. ISBN 80-01-02457-1. [3] DOBROUCKÝ, Branislav, et al. Výkonové polovodičové štruktúry. Žilina : Nakladatelství Vysoké školy dopravy a spojů v Žilině, 1995. 100 s. ISBN 807100-284-4. [4] Www.semic.cz: Řídící a regulační obvody [online]. c2007 [cit. 2011-03-08]. Dostupné z WWW:
. [5] Motor.feld.cvut.cz: Fázové řízení [online]. [cit. 2011-05-17]. Dostupné z WWW: . [6] Www.pragoboard.cz: Proudová zatížitelnost vodiče [online]. [cit. 2011-05-25].. Dostupné z WWW: . [7] Www.ges.cz: Datasheet TCA785 [online]. [cit. 2011-05-25]. Dostupné z WWW: . [8] Www.ges.cz: . Datasheet BT152/800R [online]. [cit. 2011-05-25]. Dostupné z WWW: . [9] Www.tme.cz: Datasheet LTV817. [online]. [cit. 2011-05-25]. Dostupné z WWW: . [10]
ZUROVAC, Djordje. Www.adriaportal.com: Fázová regulace tyristorů
monostabilem [online]. [cit. 2011-03-08]. . Dostupné z WWW: < http://www.adriaportal.com/zurovac/cz/cz_RegulaceNapeti.htm>.
46
Seznam obrázků Obr. 1 - Schema jednopulzní usměrňovač, R zátěž .................................................... 8 Obr. 2 - Průběhy jednopulzní usměrňovač, R zátěž .................................................. 10 Obr. 3 - Schéma jednopulzní usměrňovač, RL zátěž ................................................ 11 Obr. 4 - Průběhy jednopulzní usměrňovač, RL zátěž ................................................ 11 Obr. 5 - Schéma jednopulzní usměrňovač, RL zátěž a nulová dioda ........................ 12 Obr. 6 - Průběhy jednopulzní usměrňovač, RL zátěž a nulová dioda ........................ 13 Obr. 7- Schéma můstkový usměrňovač, R zátěž ...................................................... 13 Obr. 8 - Průběhy můstkový usměrňovač, R zátěž ..................................................... 14 Obr. 9 - Schéma můstkový usměrňovač, RL zátěž ................................................... 16 Obr. 10 - Průběhy můstkový usměrňovač, RL zátěž ................................................. 16 Obr. 11 - Řídící charakteristika můstkový usměrňovač, RL zátěž ............................. 17 Obr. 12 - Schéma polořízený usměrňovač, R zátěž .................................................. 17 Obr. 13 - Schéma analogový řídící obvod ................................................................. 19 Obr. 14 - Schéma řízení pomocí monostabilního klopného obvodu .......................... 21 Obr. 15 - Průběhy signálů monostabil- 1. část........................................................... 22 Obr. 16 - Průběhy signálů monostabil- 2. Část .......................................................... 22 Obr. 17 - Tyristor - vnitřní a náhradní schéma, popis elektrod................................... 24 Obr. 18 - VA charakteristika tyristoru......................................................................... 25 Obr. 19 - Zapínání a vypínání tyristoru ...................................................................... 26 Obr. 20 - Výstupní V-A charakteristika ...................................................................... 27 Obr. 21 - Popis elektrod tyristoru ............................................................................... 28 Obr. 22 - Vnitřní schéma řídícího obvodu .................................................................. 30 Obr. 23 - Průběhy vybraných signálů v řídícím obvodu ............................................. 30 Obr. 24 - Vnitřní schéma a popis pinů čtyřnásobného optočlenu .............................. 31 Obr. 25 - Vnitřní schéma a popis jednotlivých pinů jednoduchého optočlenu............ 31 Obr. 26 - Graf dimenzování cest v plošném spoji ...................................................... 33 Obr. 27 - Plošný spoj ................................................................................................. 33 Obr. 28 - Pohled na otevřený modul .......................................................................... 35 Obr. 29 - Pohled na všechny moduly ........................................................................ 36 Obr. 30 - Řídící charakteristika můstkový usměrňovač, R zátěž ............................... 38 Obr. 31 – Můstkový usměrňovač, R zátěž, α=120°, T/2 ............................................ 38 Obr. 32 - Můstkový usměrňovač, R zátěž, α=30°, T/2 ............................................... 38 Obr. 33 - Řídící charakteristika můstkový usměrňovač, RL zátěž ............................. 39 47
Obr. 34 - Můstkový usměrňovač, RL zátěž, α=30°,T/2 .............................................. 40 Obr. 35 – Můstkový usměrňovač, RL zátěž, α=120°, T/2 .......................................... 40 Obr. 36 - Řídící charakteristika jednopulzní usměrňovač, R zátěž ............................ 41 Obr. 37 – Jednopulzní usměrňovač, R zátěž, α=30°, T/2 .......................................... 41 Obr. 38 – Jednopulzní usměrňovač, R zátěž, α=120°, T/2 ........................................ 41 Obr. 39 – Řídící charakteristika jednopulzní usměrňovač, RL zátěž ......................... 42 Obr. 40 – Průběhy jednopulzní usměrňovač, RL zátěž, α=30°, T/2........................... 43 Obr. 41 – Průběhy jednopulzní usměrňovač, RL zátěž, α=120°, T/2......................... 43 Obr. 42 – Řídící charakteristika jednopulzní usměrňovač, RL zátěž, nulová dioda ... 44 Obr. 43 – Průběhy jednopulzní usměrňovač, RL zátěž, nulová dioda, α=30°, T/2 .... 44 Obr. 44 – Průběhy jednopulzní usměrňovač, RL zátěž, nulová dioda, α=120°, T/2 .. 44
48
Seznam tabulek Tab. 1 - Přehled obvodů vhodných pro řízení............................................................ 23 Tab. 2 - Naměřené hodnoty můstkový usměrňovač, R zátěž .................................... 37 Tab. 3 - Naměřené hodnoty můstkový usměrňovač, RL zátěž .................................. 39 Tab. 4 - Naměřené hodnoty jednopulzní usměrňovač,R zátěž .................................. 40 Tab. 5 – Naměřené hodnoty jednopulzní usměrňovač, RL zátěž .............................. 42 Tab. 6 - Naměřené hodnoty jednopulzní usměrňovač, RL zátěž, nulová dioda......... 43
49
Seznam příloh
Příloha č.1 – Seznam použitých součástek Příloha č. 2 – Schéma zapojení můstkového usměrňovače a propojů mezi plošným spojem a krabičkou Příloha č. 3 – Schéma zapojení jednopulzního usměrňovače a propojů mezi plošným spojem a krabičkou Příloha č. 4 –Datasheet obvodu TCA785 Příloha č. 5 –Datasheet tyristoru BT152/800R Příloha č. 6 – Datasheet obvodu LTV847
50
Příloha č.1 – Seznam použitých součástek Součástka
Hodnota / označení
Rezistory R1
4,7k
R2
10k
R3
220k
R4
22k
R6
4,7k
R7 - potenciometr
10k
R8
2,2k
R9
1k
R10
1k
R11
1k
R12
1k
R13
1k
R14 - trimr
100k
Kondenzátory C1
1000u
C2
0,47n
C4
47n
C5
0,1u
C6
2,2u
C7
22u
C8
22u
C9
22u
Diody D1
1N4004
D2
1N4728
D3
1N4148
D4
1N4148
D5
1N4148
D6
1N4148
Tyristory T1
BT152
T2
BT152
T3
BT152
T4
BT152
Usměrňovací můstky B1
DB101
B2
DB101
B3
DB101
Transformátory TR1
EI30-2 230/2*9V
TR2
EI30-2 230/2*9V
Řídicí obvod U1
TCA785
Optočleny OK1
LTV847 / LTV817
Příloha č. 2 – Schéma zapojení můstkového usměrňovače a propojů mezi plošným spojem a krabičkou
Příloha č. 3 – Schéma zapojení jednopulzního usměrňovače a propojů mezi plošným spojem a krabičkou
Příloha č. 4 –Datasheet obvodu TCA785
Příloha č. 5 –Datasheet tyristoru BT152/800R
Příloha č. 6 – Datasheet obvodu LTV847
